权利要求
1.一种酸性废水可渗透反应墙填充材料，其特征在于，所述填充材料的组分及质量分数为：改性
尾矿砂20～60%、市政污泥生物炭40～80%。
2.如权利要求1所述的一种酸性废水可渗透反应墙填充材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对铁矿尾矿砂在高温条件下进行改性，得到改性尾矿砂;
S2、将改性尾矿砂和市政污泥生物炭混合、压实得到酸性废水可渗透反应墙填充材料。
3.根据权利要求2所述的一种酸性废水可渗透反应墙填充材料的制备方法，其特征在于，S1中，铁矿尾矿砂为选矿工艺产生尾矿浆经浓缩所得的粗颗粒、松散尾矿。
4.根据权利要求2所述的一种酸性废水可渗透反应墙填充材料的制备方法，其特征在于，S1中，铁矿尾矿砂中包括硫酸钙。
5.根据权利要求2所述的一种酸性废水可渗透反应墙填充材料的制备方法，其特征在于，S1中，高温条件为600～800℃。
6.根据权利要求2所述的一种酸性废水可渗透反应墙填充材料的制备方法，其特征在于，S2中，酸性废水可渗透反应墙填充材料中改性尾矿砂和市政污泥生物炭的质量分数分别为20～60%和40～80%。
7.根据权利要求2所述的一种酸性废水可渗透反应墙填充材料的制备方法，其特征在于，S2中，酸性废水可渗透反应墙填充材料中改性尾矿砂和市政污泥生物炭的质量分数分别为30～50%和50～70%。
8.根据权利要求2所述的一种酸性废水可渗透反应墙填充材料的制备方法，其特征在于，S2中，酸性废水可渗透反应墙填充材料中改性尾矿砂和市政污泥生物炭的质量分数分别为40%和60%。
9.根据权利要求2所述的一种酸性废水可渗透反应墙填充材料的制备方法，其特征在于，S2中，混合方式为机械搅拌。
10.一种酸性废水可渗透反应墙填充材料的应用，其特征在于，将权利要求1所述的一种酸性废水可渗透反应墙填充材料应用于制备酸性废水可渗透反应墙。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及酸性矿山废水处理和水环境修复技术领域，尤其是涉及一种酸性废水可渗透反应墙填充材料及其制备方法和应用。
背景技术
[0002]
矿产资源开采和利用过程中常伴生酸性矿井废水，诱发有毒有害金属元素进入自然水体环境中，严重危害矿区周边和水环境安全。石灰/石灰石中和工艺和硫酸盐还原菌微生物处理工艺是最为常用的酸性废水处理技术。然而，中和工艺依赖大量碱性物质的投加，处理成本高，存在产生二次污染的风险。微生物处理工艺在酸性环境下的处理效率低，且硫酸盐还原菌对金属离子的耐受性差。因此，仍需对酸性矿山废水具有更高适应性的处理技术。
[0003]可渗透反应墙(Permeable Reactive Barrier，PRB)是一种应用广泛的污废水原位处理技术，其主体为可与污染物发生物化、生化反应的渗透墙体。对于处理酸性矿井水的PRB，墙体内部反应介质主要为碱性中和剂、吸附材料等，主要通过化学中和反应、吸附、沉淀等达到拦截和去除污染物的目的。PRB对酸性废水的处理效果很大程度受到墙体填料性能的影响，实现长效、稳定的处理效果要求填料具备耐酸性强、内部结构稳定、不易钝化和堵塞等特点。但传统单一介质的PRB填料易受酸性矿山废水的侵蚀，出现消蚀、流失的现象，且其普遍存在成本高、回收困难、利用效率低等问题。
[0004]铁矿的矿尾砂是较为稳定的
固废材料，其中含有选矿流程后剩余的碱性物质，经改性的矿尾砂具有较高的抗腐蚀性和抗压强度，其中含有的矿物成分能够与金属离子进行结合，但其对金属的吸附能力有限。市政污泥活性炭是具有较强吸附能力活性材料，具有较好的生物相容性，能够释放可生物利用的有机质，但是韧性和抗压能力有限。而在改性矿尾砂中混掺市政污泥生物炭，再形成应用于酸性废水处理的复合填充材料，能够兼具矿尾砂的材料特性和市政污泥的吸附性能，并且能为附着的微生物提供一部分有机碳源，促进硫酸盐还原菌生化作用耦合于PRB处理系统。因此，利用矿尾砂、市政活性污泥两种常见的固废物质合成PRB的填充材料，在高效处理矿山酸性废水方面具有较大的发展空间。
发明内容
[0005]本发明的目的是提供一种酸性废水可渗透反应墙填充材料及其制备方法和应用，通过铁矿尾矿砂改性增强填充材料的胶凝性能和抗压强度，通过混掺市政污泥生物炭扩充填充材料对有毒有害金属的吸附容量，并利用生物炭孔隙和所含有机质促进硫酸盐还原菌的附着生长，延长可渗透反应墙填料的使用周期，提升酸性废水的处理效率。
[0006]为实现上述目的，本发明提供了一种酸性废水可渗透反应墙填充材料，所述填充材料的组分及质量分数为：改性尾矿砂20～60%、市政污泥生物炭40～80%。
[0007]本发明还提供了一种酸性废水可渗透反应墙填充材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1、对铁矿尾矿砂在高温条件下进行改性，得到改性尾矿砂;
[0009]S2、将改性尾矿砂和市政污泥生物炭混合、压实得到酸性废水可渗透反应墙填充材料。
[0010]优选的，S1中，铁矿尾矿砂为选矿工艺产生尾矿浆经浓缩所得的粗颗粒、松散尾矿。
[0011]优选的，S1中，铁矿尾矿砂中包括硫酸钙。
[0012]优选的，S1中，高温条件为600～800℃。
[0013]优选的，S2中，酸性废水可渗透反应墙填充材料中改性尾矿砂和市政污泥生物炭的质量分数分别为20～60%和40～80%。
[0014]优选的，S2中，酸性废水可渗透反应墙填充材料中改性尾矿砂和市政污泥生物炭的质量分数分别为30～50%和50～70%。
[0015]优选的，S2中，酸性废水可渗透反应墙填充材料中改性尾矿砂和市政污泥生物炭的质量分数分别为40%和60%。
[0016]优选的，S2中，混合方式为机械搅拌。
[0017]本发明还提供了一种酸性废水可渗透反应墙填充材料的应用，将上述所述的一种酸性废水可渗透反应墙填充材料应用于制备酸性废水可渗透反应墙。
[0018]因此，本发明采用上述一种酸性废水可渗透反应墙填充材料及其制备方法和应用，具有以下有益效果：
[0019](1)利用尾矿中剩余的金属硫化物和碱性物质处理酸性废水，通过尾矿改性增强填料的胶凝性能和抗压强度;
[0020](2)利用混掺市政污泥生物炭扩充填料对有毒有害金属的吸附容量，并利用生物炭孔隙和所含有机质促进硫酸盐还原菌的附着生长，延长可渗透反应墙填料的使用周期的同时，提升酸性废水的处理效率;
[0021](3)复合填料具有原料来源广泛、制备过程简单、反应途径丰富等特征，在矿山废水处理和水环境修复方面具有较好的市场应用前景。
[0022]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0023]图1是本发明一种酸性废水可渗透反应墙填充材料及其制备方法和应用实施例的可渗透反应墙填料制备及应用示意图;
[0024]图2是本发明一种酸性废水可渗透反应墙填充材料及其制备方法和应用对实施例1的可渗透反应墙废水填料组成的可渗透反应墙废水处理系统模拟实验装置图;
[0025]图3是本发明一种酸性废水可渗透反应墙填充材料及其制备方法和应用对实施例1的可渗透反应墙废水填料组成的可渗透反应墙废水处理系统模拟酸性矿山废水的处理情况图。
具体实施方式
[0026]以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
[0027]除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
[0028]本发明提供了一种酸性废水可渗透反应墙填充材料及其制备方法和应用，具体实施例如下：
[0029]实施例1
[0030]一种酸性废水可渗透反应墙填充材料，其组分及质量分数为：改性尾矿砂20%、市政污泥生物炭80%。
[0031]如图1所示，该酸性废水可渗透反应墙填充材料的制备方法包括以下步骤：
[0032]S1、对铁矿尾矿砂在600℃下进行改性，得到改性尾矿砂。其中铁矿尾矿砂为选矿工艺产生尾矿浆经浓缩所得的粗颗粒、松散尾矿，铁矿尾矿砂中含有硫酸钙，在高温条件下利用铁矿尾矿砂中的硫酸钙改性，可以提升铁矿尾矿砂的胶凝性能和抗压强度。
[0033]S2、将改性尾矿砂和市政污泥生物炭按质量比1:4混合均匀，压实后得到酸性废水可渗透反应墙填充材料。其中，市政污泥生物炭的混掺扩充了填料对有毒有害金属的吸附容量，为硫酸盐还原菌生长提供附着点和有机质，延长可渗透反应墙填料的使用周期，提升酸性废水的处理效率。
[0034]实施例2
[0035]一种酸性废水可渗透反应墙填充材料，其组分及质量分数为：改性尾矿砂40%、市政污泥生物炭60%。
[0036]该酸性废水可渗透反应墙填充材料的制备方法包括以下步骤：
[0037]S1、对铁矿尾矿砂在700℃下进行改性，得到改性尾矿砂。其中铁矿尾矿砂为选矿工艺产生尾矿浆经浓缩所得的粗颗粒、松散尾矿，铁矿尾矿砂中含有硫酸钙，在高温条件下利用铁矿尾矿砂中的硫酸钙改性，可以提升铁矿尾矿砂的胶凝性能和抗压强度。
[0038]S2、将改性尾矿砂和市政污泥生物炭按质量比2:3混合均匀，压实后得到酸性废水可渗透反应墙填充材料。
[0039]实施例3
[0040]一种酸性废水可渗透反应墙填充材料，其组分及质量分数为：改性尾矿砂60%、市政污泥生物炭40%。
[0041]该酸性废水可渗透反应墙填充材料的制备方法包括以下步骤：
[0042]S1、对铁矿尾矿砂在800℃下进行改性，得到改性尾矿砂。其中铁矿尾矿砂为选矿工艺产生尾矿浆经浓缩所得的粗颗粒、松散尾矿，铁矿尾矿砂中含有硫酸钙，在高温条件下利用铁矿尾矿砂中的硫酸钙改性，可以提升铁矿尾矿砂的胶凝性能和抗压强度。
[0043]S2、将改性尾矿砂和市政污泥生物炭按质量比3:2混合均匀，压实后得到酸性废水可渗透反应墙填充材料。
[0044]本发明基于以下机理实现PRB酸性废水稳定、高效处理：
[0045](1)尾矿砂碱性物质中和作用：选矿过程中剩余的碱性药物混合于矿尾砂中，使矿尾砂固废具备碱性中和酸性废水的功能。
[0046](2)尾矿砂改性稳定材料结构：改性后的矿尾砂具有更高的韧性和抗压能力，提升PRB填充材料的强度，为混掺的吸附材料提供稳定的结构空间。
[0047](3)市政污泥生物炭强化金属离子吸附：市政污泥生物炭具有丰富的孔隙结构，混掺于改性矿尾砂后，改善了自身强度低的问题，更利于充分发挥孔隙结构的作用，提升金属离子吸附能力。
[0048](4)市政污泥生物炭促进硫酸盐还原菌富集：市政污泥生物炭含有的孔隙结构利于微生物的附着与生长，其中含有的有机物质能够逐渐缓释，与废水中含有硫酸根的共同作用下，促进硫酸盐还原菌的生长，进而起到金属离子沉淀和酸性物质中和的效应。
[0049]在硫铁矿中，矿物质与氧气、水接触形成酸性矿山废水，本发明模拟了酸性矿山废水的组分，配置了模拟酸性矿山废水，该废水的初始pH=2.4～3.2，金属铁的含量为800～1200mg/L，金属
锰的含量为95～119mg/L。将实施例1制备的酸性废水可渗透反应墙填充材料应用于制备酸性废水可渗透反应墙，并通过多级串联的形式，组成可渗透反应墙废水处理系统对模拟酸性矿山废水进行处理。如图2所示，该可渗透反应墙废水处理系统为三级可渗透反应墙串联，模拟酸性矿山废水在每级可渗透反应墙中的水力停留时间为24h。
[0050]图3为可渗透反应墙废水处理系统对模拟酸性矿山废水的处理情况，图3中的(a)为pH变化情况，图3中的(b)为进水金属铁含量变化情况，图3中的(c)为进水金属锰含量变化情况，图3中的(d)为出水金属铁、金属锰含量变化情况。每级可渗透反应墙的进水pH在2.4至3.2的范围内，经过处理后出水的pH值达到6.9至7.6。每级可渗透反应墙的进水中，金属铁的浓度为800～1200mg/L，金属铁的出水浓度在2.8mg/L至4.7mg/L范围内，金属铁的处理率达到99.4%至99.7%。每级可渗透反应墙的进水中，金属锰的浓度为95-120mg/L，金属锰的出水浓度在1.7mg/L至3.4mg/L，金属锰的处理率达到96%至99%。此外，经过使用的复合填料的空隙中，可观察到明显的微生物附着现象，说明包括硫酸盐还原菌在内的微生物，在酸性矿山废水处理过程中发挥作用。本发明提出的可渗透反应墙复合填充材料能够高效处理酸性矿山废水，并对其中的金属离子有显著的去除作用。
[0051]因此，本发明采用上述一种酸性废水可渗透反应墙填充材料及其制备方法和应用，通过铁矿尾矿砂改性增强填充材料的胶凝性能和抗压强度，通过混掺市政污泥生物炭扩充填充材料对有毒有害金属的吸附容量，并利用生物炭孔隙和所含有机质促进硫酸盐还原菌的附着生长，延长可渗透反应墙填料的使用周期，提升酸性废水的处理效率。
[0052]最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
说明书附图(3)
声明：
“酸性废水可渗透反应墙填充材料及其制备方法和应用” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
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编辑：北方有色网
来源：广东广业云硫矿业有限公司, 西安科技大学
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